Schnelle Gedankenblitze mit Licht-Rechner

Wie funktioniert nun die Reservoir-Rechnung?

Äußere Reize oder Inputs können für eine gewisse Zeit im Reservoir nachgewiesen werden – ähnlich wie der Aufschlag eines Steins auf der Wasseroberfläche anhand der geschlagenen Wellen. Diese Form der Speicherung und die einsetzende Reaktion des Reservoirs wandeln den Input in eine große Zahl dynamischer Zustände des Reservoirs um; sie erzeugen einen hochdimensionalen Raum der Zustände. Der Vorteil der Reservoir-Berechnung liegt darin, dass die Reaktion des Reservoirs im hochdimensionalen Raum der Zustände leichter zu erkennen ist, als im ursprünglichen Input-Raum mit weniger Dimensionen. Die Anzahl der Dimensionen im Input-Raum entspricht beispielsweise der Anzahl von Merkmalen, die dazu notwendig ist, ein bekanntes Gesicht zu erkennen. In früheren Arbeiten wurde gezeigt, dass die Identifizierung im hochdimensionalen Raum genutzt werden kann, um verschiedene Inputs zu klassifizieren.

Kern der Reservoir-Berechnung ist das komplexe Zusammenspiel zweier gekoppelter, nicht-linearer dynamischer Systeme: der Speicherung des Inputs im Reservoir und dessen einsetzender Reaktion. In den letzten Jahren ist die Erforschung der Dynamik gekoppelter komplexer Systeme und insbesondere des Auftretens von Synchronisation weit vorangeschritten. Photonische Systeme haben dabei eine Schlüsselrolle gespielt und sie dienen auch als Beispiel für die Nutzbarkeit komplexen Verhaltens. Der Austausch zwischen Physikern, die Laser und nichtlineare Dynamiken erforschen, sowie Neurophysiologen und Hirnforschern führte zur Idee, dass photonische Systeme genutzt werden könnten, um Hirnfunktionen zu verstehen und eventuell nachbilden zu können.

Die Reservoir-Berechnung mit photonischen Systemen könnte vielfältig angewendet werden, es gibt jedoch noch eine Reihe ungelöster Probleme. Die Systeme können für extrem schnelle Datenverarbeitung eingesetzt werden und sind dabei kompatibel mit bestehender Telekommunikations-Technologie. Große photonische Systeme in bestehende Technologie einzubinden ist jedoch eine technologische Herausforderung und kostenaufwändig.

Ziel des Projekts PHOCUS

Das PHOCUS-Konsortium verfolgt einen neuen Ansatz, die Funktionalität eines komplexen Netzwerks mit nur wenigen photonischen Komponenten herzustellen. Man macht sich dabei die auftretenden zeitlichen Verzögerungen bei Rückkopplungen oder Kopplungen eines oder mehrerer Laser zunutze, um einen sehr hochdimensionalen Zustands-Raum zu erzeugen. Ziel des Projekts PHOCUS ist die Reservoir-Berechnung mithilfe photonischer Systeme für die Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung einzusetzen. Damit könnten Alternativen zu Supercomputern oder Computerclustern für Anwendungen geschaffen werden, die geringe Größe und geringen Energiebedarf erfordern.

Das von der EU geförderte Projekt PHOCUS (Towards a PHOtonic liquid state machine based on delay-CoUpled Systems) wird von der Europäischen Kommission aus dem Fond “Future and Emerging Technologies Open Scheme” mit knapp 2,4 Millionen Euro finanziert.